JP2005209470A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特にその単位セル間に介挿されるセパレータを利用した燃料電池の冷却技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a cooling technology for a fuel cell using a separator interposed between unit cells.
燃料電池の一形式としてのPEM型燃料電池の単位セルは、燃料極(一般に燃料として水素ガスが用いられることから、水素極ともいう)と酸化剤極(同様に酸化剤として酸素を含むガスである空気が用いられることから、以下これを空気極という)との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成とされる。燃料極と空気極は、共に触媒物質を含む触媒層と、触媒層を支持するとともに反応ガスを透過する機能を果たし、更に集電体としても機能を有する電極基材からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスとしての水素と空気をセル外部から電極面に均一に供給するとともに、反応ガスの余剰分をセル外部に排出するためのガス流路(一般に電極面側が開いた溝で構成される)を設けたセパレータ(コネクタ板)が積層される。このセパレータは、ガスの透過を防止するとともに、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。上記のような単位セルとセパレータとで1ユニットの単電池が構成される。 A unit cell of a PEM type fuel cell as one type of fuel cell is composed of a fuel electrode (also referred to as a hydrogen electrode because hydrogen gas is generally used as a fuel) and an oxidant electrode (also a gas containing oxygen as an oxidant). Since a certain air is used, the polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between the air electrode and the air electrode). Both the fuel electrode and the air electrode are composed of a catalyst layer containing a catalyst material, an electrode base material that supports the catalyst layer and transmits a reaction gas, and also functions as a current collector. A gas flow path (generally an electrode for supplying hydrogen and air as reaction gases uniformly from the outside of the cell to the electrode surface and discharging excess reaction gas to the outside of the cell further outside the fuel electrode and air electrode. A separator (connector plate) provided with a groove formed on the surface side is laminated. This separator prevents gas permeation and collects current for taking out the generated current to the outside. The unit cell and the separator as described above constitute one unit cell.
実際の燃料電池では、かかる単電池の多数個が直列に積層されてセルモジュールが構成される。このような、燃料電池では、十分な発電効率を維持するために、単位セル中の高分子固体電解質膜を十分に湿潤状態に保つ必要があり、一般に、電解反応により生成する水のみでは水分が不足することから、各単位セルに加湿水を供給する手段を必要とする。また、電解反応により発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生するため、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止する冷却手段が講じられる。 In an actual fuel cell, a large number of such single cells are stacked in series to constitute a cell module. In such a fuel cell, in order to maintain sufficient power generation efficiency, it is necessary to keep the polymer solid electrolyte membrane in the unit cell in a sufficiently wet state. In general, only water generated by the electrolytic reaction has moisture. Since it is insufficient, a means for supplying humidified water to each unit cell is required. In addition, since an amount of heat substantially corresponding to the generated electric power is generated by the electrolytic reaction, a cooling means for preventing the fuel cell main body from excessively heating up is provided.
燃料電池の冷却手段としては、種々のものが提案されており、冷却とともに電解質膜の湿潤を行なうようにしたものがある(例えば、特許文献1参照。)。この技術では、予め水を添加した空気を供給して、冷却ガス流路で水を蒸発させて冷却を行なった後、その蒸発した水分を含んだ空気を空気流路に循環させるようにした構成が採用されている。 Various means for cooling the fuel cell have been proposed, and there is an apparatus in which the electrolyte membrane is wetted with cooling (see, for example, Patent Document 1). In this technology, after supplying water with water added in advance and evaporating the water in the cooling gas flow path for cooling, the air containing the evaporated water is circulated in the air flow path. Is adopted.
また、セパレータ内にガス流路とは分離した中空部を形成し、中空部に冷却水を流通させるとともに、この冷却水が多孔質の壁面を通して空気流路に水蒸気を供給させるようにしたものも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
ところで、従来技術によれば、冷却と膜の湿潤の維持の両立は困難で、例えば、特許文献1に記載のものによると、一旦冷却ガス流路で液体水を蒸発させた水蒸気を含む空気を、再び空気流路に循環させるために、その循環経路において、冷却ガス流路の温度を維持することが難しく、例えば、循環経路において温度が低下した後、空気流路において温度が上昇した場合、空気流路においては、電解質膜中から水分を奪うことになり、膜湿潤の維持は困難である。 By the way, according to the prior art, it is difficult to maintain both the cooling and the wetness of the film. For example, according to the one described in Patent Document 1, air containing water vapor once liquid water is evaporated in the cooling gas flow path is used. In order to circulate again in the air flow path, it is difficult to maintain the temperature of the cooling gas flow path in the circulation path, for example, when the temperature increases in the air flow path after the temperature decreases in the circulation path, In the air flow path, moisture is taken away from the electrolyte membrane, and it is difficult to maintain the membrane wetness.
また、特許文献2に記載のものでは、多孔質の壁面を通じて水蒸気を供給するものの、多孔質から染み出る水分により十分な水蒸気の供給が可能であるとは必ずしも言い難いし、冷却水路では、顕熱による冷却が行なわれるだけであるので、十分な冷却を行なうためには、冷却水の循環のための機械的設備やエネルギーが膨大になる可能性がある。 In addition, although the water vapor is supplied through the porous wall surface in the device described in Patent Document 2, it is not always possible to supply sufficient water vapor due to the water oozing out from the porous wall. Since only cooling by heat is performed, mechanical equipment and energy for circulating the cooling water may be enormous in order to perform sufficient cooling.
本発明は、上記の事情に鑑みて案出されたものであり、空気極側に空気と冷却水が直接供給される方式の燃料電池において、冷却と膜湿潤の維持の両立を単純な構成で実現することを目的とする。更に、本発明は、効率的な冷却が可能な燃料電池を提供するものである。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and in a fuel cell of a system in which air and cooling water are directly supplied to the air electrode side, both the cooling and the wetness of the film are maintained with a simple configuration. It aims to be realized. Furthermore, the present invention provides a fuel cell capable of efficient cooling.
上記の目的を達成するため、本発明は、電解質膜(11)と該電解質膜の両側に設けられた燃料極(13)及び空気極(12)とからなる単位セル(10A)がセパレータ(10B)を挟んで積層され、該セパレータを通して単位セルの空気極側に空気と水の混合流が供給される燃料電池において、前記セパレータは、単位セルの両極の少なくとも空気極側の表面部分に、前記混合流を透過する網目状の導電体(14)を備えることを主たる特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a unit cell (10A) composed of an electrolyte membrane (11) and fuel electrodes (13) and air electrodes (12) provided on both sides of the electrolyte membrane. ), And the separator is supplied to at least the surface portion of the unit cell on both sides of the air electrode, with the mixed flow of air and water being supplied to the air electrode side of the unit cell through the separator. The main feature is that a mesh-like conductor (14) that transmits the mixed flow is provided.
前記の構成において、前記網目状の導電体は、網目の開口率が25%以上であるのが望ましい。また、前記網目状の導電体は、前記水を付着させるべく親水性処理が施されていることが望ましい。この場合の前記網目状の導電体は、断面形状が矩形波状となるように屈曲されており、前記ガス遮断用の基板は、薄平板状に形成されている。より具体的には、前記セパレータは、前記網目状の導電体とガス遮断用の基板(16)とを重ね合せた層構造とされる。また、前記網目状の導電体は、網線の間に前記混合流を透過する金網又は金属薄板に前記混合流を透過するパンチ孔が形成されたパンチングメタル若しくは金属薄板に前記混合流を透過する菱形スリットが形成されたランスカットメタルで構成される。 In the above structure, it is desirable that the mesh-like conductor has a mesh opening ratio of 25% or more. Moreover, it is desirable that the mesh-like conductor is subjected to a hydrophilic treatment so that the water adheres thereto. In this case, the mesh-like conductor is bent so that the cross-sectional shape is a rectangular wave shape, and the gas blocking substrate is formed in a thin flat plate shape. More specifically, the separator has a layer structure in which the mesh-like conductor and a gas blocking substrate (16) are overlapped. Further, the mesh-like conductor transmits the mixed flow to a punching metal or a thin metal plate in which punch holes for transmitting the mixed flow are formed in a metal mesh or a thin metal plate that transmits the mixed flow between mesh lines. Consists of lance cut metal with diamond-shaped slits.
本発明によれば、網目状の導電体に空気とともに供給される冷却水が均一に付着、保持されることにより、電極全面にて均一な潜熱冷却が可能となり、冷却能が向上する。また、従来技術のようにセパレータの背面を冷却することにより間接的に電極を冷却する方式に対して、電極により近い部分で冷却することが可能となり、冷却能が向上する。更に、網目状の導電体が、送り込まれる空気に接する冷却のフィンの役目を果たし、冷却能が向上する。 According to the present invention, the cooling water supplied together with the air is uniformly attached and held on the mesh-like conductor, whereby uniform latent heat cooling can be performed on the entire surface of the electrode, and the cooling performance is improved. Further, in contrast to the method of indirectly cooling the electrode by cooling the back surface of the separator as in the prior art, it is possible to cool at a portion closer to the electrode, and the cooling performance is improved. Further, the mesh-shaped conductor serves as a cooling fin in contact with the air to be fed, and the cooling performance is improved.
また、網目状の導電体の開口率を25%以上とすることで、酸化剤ガスとしての空気と電極の接触面積を十分に確保することができる。また、導電体を親水性にすることで、水を網目に付着、滞留させることができ、それにより冷却効率が向上する。また、網目状の導電体を金網、パンチングメタルあるいはランスカットメタルで構成した場合、細密且つ均一な開口分布と十分な開口率を得ることができ、更に電極拡散層との接触面の開口にも混合流が通り、攪拌されるため、上記の効果をより一層確実に達成することができる。更にランスカットメタルにあっては、厚さに対する剛性が他の材料よりも高いので、接触抵抗を小さくできる。また、導電体を波板状とした場合、平板状と比較して、拡散層との接触面積に対する表面積の割合を大きくすることができると共に、水との接触機会が大幅に増えるので、効率良く冷却できる。 In addition, by setting the aperture ratio of the mesh-shaped conductor to 25% or more, a sufficient contact area between the air as the oxidant gas and the electrode can be secured. Further, by making the conductor hydrophilic, water can adhere and stay in the mesh, thereby improving the cooling efficiency. In addition, when the mesh-like conductor is made of a metal mesh, punched metal or lance cut metal, a fine and uniform opening distribution and a sufficient opening ratio can be obtained, and also the opening on the contact surface with the electrode diffusion layer can be obtained. Since the mixed flow passes and is stirred, the above-mentioned effect can be achieved more reliably. Further, in the lance cut metal, the rigidity with respect to the thickness is higher than that of other materials, so that the contact resistance can be reduced. Also, when the conductor is corrugated, the ratio of the surface area to the contact area with the diffusion layer can be increased and the chances of contact with water are greatly increased compared to the flat plate. Can be cooled.
本発明は、供給空気中に冷却水を直接噴射により混入させて空気極側に供給する方式の燃料電池に適用して特に有効なものであり、これにより網目状の導電体に冷却水が均一に付着し且つ保持されることにより、電極全面にて反応生成熱を利用した均一な潜熱冷却が可能となり、冷却能が向上する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly effective when applied to a fuel cell in which cooling water is directly injected into supply air and supplied to the air electrode side, whereby the cooling water is evenly distributed on a mesh-like conductor. By being attached to and held on the electrode, uniform latent heat cooling using reaction generated heat can be performed on the entire surface of the electrode, and the cooling ability is improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。先ず、図1〜図7は本発明の第1実施例を示す。図1は、この発明の適用に係る燃料電池スタック1を用いた車両用燃料電池システムの構成例を示す。この燃料電池システムは、燃料電池スタック1を主体とし、それに空気を供給する空気供給手段としての空気ファン21を含む空気供給系(図に実線で示す)2及び水凝縮器31を含む空気排出系3とからなる燃料電池主体部と、水素供給手段としての水素タンク41を含む燃料供給系(図に2点鎖線で示す)4と、反応部の湿潤と冷却のための水供給系(図に破線で示す)6から構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 7 show a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a configuration example of a vehicle fuel cell system using a fuel cell stack 1 according to an application of the present invention. This fuel cell system is mainly composed of a fuel cell stack 1, and includes an air supply system (shown by a solid line) 2 including an
燃料電池の主体部に配置された空気ファン21は、空気供給路20を介して空気マニホールド22に接続され、空気マニホールド22は、燃料電池スタックを収容する図示しない筐体に接続されている。水凝縮器31は、筐体の空気排出路30中に介挿して燃料電池スタック1に接続されている。空気排出路30には排気温度センサ32が配置されている。
The
燃料供給系4は、水素タンク41に貯蔵された水素を水素供給路40を介して燃料電池スタック1の水素通路へ送るべく設けられている。水素供給路40には、水素タンク41側から燃料電池スタック1側に向けて、一次圧センサ42、調圧弁43A、供給電磁弁44A、調圧弁43B、供給電磁弁44B、二次圧センサ45が設けられている。また、水素供給路40には付随的に水素帰還路40aと水素排出路50が設けられている。水素帰還路40aには、燃料電池スタック1側から順に、水素濃度センサ46A,46B、吸引ポンプ47、逆止弁48が配置され、逆止弁48の下流が水素供給路40に接続されている。水素帰還路40aにおける吸引ポンプ47と逆止弁48との間には、水素排出路50が接続されており、水素排出路50には、逆止弁51と、排出電磁弁52と、燃焼器53が配置されている。
The fuel supply system 4 is provided to send hydrogen stored in the
水供給系6は、水タンク61に貯蔵された水を水供給路60を介して燃料電池スタック1の空気マニホールド22に配置された多数のノズル63へ送るべく設けられている。水供給路60にはポンプ62が配置されている。また、水タンク61には、レベルセンサ64が配置されている。水供給系6には更に燃料電池スタック1と水タンク61をつなぐ水帰還路60aが設けられ、水帰還路60aにはポンプ65と逆止弁66が配置されている。水帰還路60aはポンプ65の上流側で水凝縮器31に接続されている。なお、図において、符号71は燃料電池の起電圧をモニターする電圧計を示す。
The water supply system 6 is provided to send the water stored in the
前記のように構成された燃料電池システムは、運転時には、空気供給ファン21の稼動により空気マニホールド22に空気が供給されると共に、水供給系からポンプ62の稼動により水が供給され、続いて燃料供給系4から供給電磁弁44A,44Bの稼動により水素が供給される。この際、燃料供給系4では、水素一次圧センサ42によって水素タンク41側の水素圧がモニターされ、水素調圧弁43A、43Bによって、燃料電池スタック1へ供給するに適した圧力に調整される。そして、供給電磁弁44A,44Bの開閉によって、水素の燃料電池スタック1への供給が電気的に制御される。水素ガスの供給の遮断は、供給電磁弁44A,44Bの閉鎖によりなされる。また、水素二次圧センサ45によって、燃料電池スタック1に供給される直前の水素ガス圧がモニターされる。また、水供給系6では、水タンク61の水はポンプ62により空気マニホールド22内に配設されたノズル63へ圧送され、ここから空気マニホールド22内で連続的若しくは間欠的に噴出され、空気流に霧状に混入されて燃料電池スタック1に送り込まれる。
In the fuel cell system configured as described above, during operation, air is supplied to the
前記の構成からなる燃料電池システムにおいて燃料電池スタック1を構成するユニットとしてのセルモジュール10の構成を図2〜図7に示す。図2に上面(以下、セルモジュールの配置姿勢に即して上下及び縦横の関係を説明する)を示すように、セルモジュール10は、単位セル(MEA)10Aと、単位セル同士を電気的に接続すると共に単位セルに導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離するセパレータ10Bと、単位セル10Aとセパレータ10Bを支持する2種類のフレーム17,18とを1セットとして、板厚方向に複数セット(図示の例では10セット)重ねて構成されている。なお、単位セル10Aは、フレーム18の内側に位置するため、図2には明確に表されていない。セルモジュール10は、単位セル10A同士が所定の間隙を隔てて配置されるように、単位セル10Aとセパレータ10Bが、2種類のフレーム17,18を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されており、積層方向の一端(図2における上端面側)は、図3に示すように、セパレータ10Bの縦方向凸条形成面と一方のフレーム17の端面とで終端し、他端(図2における下端面側)は、図4に示すように、セパレータ10Bの横方向凸条形成面と他方のフレーム18の端面とで終端している。
2 to 7 show the configuration of the
図5及び図6に拡大して断面構造を示すように、単位セル10Aは、固体高分子電解質膜11と、この固体高分子電解質膜11の一側に設けられた酸化剤極である空気極12及び他側に設けられた燃料極13とで構成されている。これら空気極12と燃料極13は、上述した反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層と、この拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜11と接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とからなる。これらの部材のうち、空気極12と燃料極13は、それらの支持部材としてのフレーム18の開口部の幅より若干長い横方向寸法と、開口部の高さより若干短い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜11は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横寸法とされている。
5 and 6, the
セパレータ10Bは、単位セル10A間のガス遮断部材としてのセパレータ基板16と、セパレータ基板16の一側に設けられ、単位セル10Aの空気極側の電極拡散層に接触して集電すると共に空気と水の混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体(以下「空気極側コレクタ」と称する)14と、セパレータ基板16の他側に設けられ、単位セル10Aの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の導電体(以下「燃料極側コレクタ」と称する)15とで構成されている。そして、これらを単位セル10Aも含めて所定の位置関係に保持すべく、空気極側コレクタ14の左右両側に配置されたフレーム17(最外側のもののみ上下端を相互にバックアッププレート17a,17bで連結されて枠状(図3参照)をなす)と、燃料極側コレクタ15及び単位セル10Aの周縁部にフレーム18が設けられている。コレクタ14,15は、この例では金属薄板、例えば板厚が0.2mm程度のもので構成されている。また、セパレータ基板16は、板厚が更に薄い金属薄板で構成される。この構成金属としては、導電性と耐食性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。また、フレーム17,18は、適宜の絶縁材料で構成される。
The
空気極側コレクタ14は、図3に示すように、全体形状を横長の矩形(ただし、底辺だけが水切り効果の向上のために傾斜辺とされている)とされ、図7に一部を拡大して詳細を示すように、開口率59%の網目状の開口143を有する(板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記)ランスカットメタル板材からなり、プレス加工により形成された細かい凸条141を有する波板とされている。これら凸条141は、板材の縦辺(図示の形態における短辺)に平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。これら凸条141の断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。これら凸条141の高さは、フレーム17の厚さに実質上等しい高さとされ、それにより積層状態で両側のフレーム17間を縦方向に貫通する所定の開口面積の空気流路を確保している。各凸条141の頂部142の平面は、空気極12側拡散層が接触する当接部となっており、凸条141間の谷部144は、基板16との当接部とされている。
As shown in FIG. 3, the air
なお、空気極側コレクタ14には、親水性処理が施されている。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(TiO2)等が挙げられる。この他の親水性処理としては、金属表面の粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などがその例である。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、単位セル10Aに接触している凸部141の頂部142、特に空気流路側に施される。このように親水性処理を施すことにより、コレクタ14と空気極側拡散層との当接面の濡れが促進され、水の潜熱冷却による効果が向上する。また、これにより網目の開口部に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。
The air
燃料極側コレクタ15は、空気極側コレクタ14と同様の寸法で網目状の開口153を有する(板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記)ランスカットメタルの矩形の板材からなり、プレス加工によって、複数の凸条151が押出し形成されている。凸条151は、頂部152が平坦で、断面形状も、先の凸条141の場合と同様に実質上矩形波状とされているが、このコレクタ15の場合の凸条151は、横方向に板面を完全に横断して延びるものとして縦方向に一定のピッチで設けられている。これら凸条151の頂部152の平面は、燃料極13が接触する当接部となっており、凸条151間の谷部154がセパレータ基板16との当接部とされている。これら凸条151の断面形状も、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。これら凸条151の高さは、単位セル10Aの厚さと合わせてフレーム18の厚さに実質上相当する高さとされ、それにより積層状態でフレーム18の内側を横方向に貫通する所定の開口面積の燃料流路を確保している。
The fuel
上記の構成からなる両コレクタ14,15は、各凸条141,151が共に外側となるようにセパレータ基板16を間に挟んで配置される。このとき、両コレクタ14,15の谷部144,154がセパレータ基板16と当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、コレクタ14,15がセパレータ基板16と重ね合わせることによって、セパレータ基板16の一方側に空気流路が構成され、他方側に燃料流路が構成されることになる。そしてこの縦方向の空気流路から、単位セル10Aの空気極12に空気と水が供給され、同様に、横方向の燃料流路から単位セル10Aの燃料極13に水素が供給される。
The
前記の構成からなるセパレータ10Bの外側には、フレーム17,18がそれぞれ配置される。図5及び図6に示すように、コレクタ14を囲むフレーム17は、外端(図5において最上部、図6において左端)のものを除き、コレクタ14の短辺に沿う両側を囲う縦枠部171のみを備えるものとされ、これら縦枠部171を板厚方向に貫通する長孔172が燃料流路形成のために設けられている。フレーム17の板厚は、前記のように波板状とされたコレクタ14の厚みに匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム17がコレクタ14に組み合わされた状態では、コレクタ14の凸条141は、単位セル10Aの空気極12に接触し、谷部144はセパレータ基板16を介してコレクタ15に接触する位置関係となる。なお、セパレータ基板16は、フレーム17の高さと全体幅に相当する外形寸法とされ、フレーム17の前記長孔172と重なる位置に同様の長孔162を備える構成とされている。かくして、フレーム17の両縦枠部171の間には、単位セル10Aの空気極12面とセパレータ基板16とで囲われた縦方向に全通する空気流路が画定される。
コレクタ15と単位セル10Aを囲むフレーム18は、フレーム17と同じ大きさに構成されているが、フレーム17とは異なり、左右縦枠部(図5では記載範囲より更に右外側に位置するため現れていないが、フレーム17の両縦枠部171の左右両側端と同じ位置に両側端を有する横方向幅が上下横枠部の略同じ枠部)と上下横枠部182を備える完全な枠状とされている。そして、フレーム18は、外端(図2において最下部、図4に示す面)のものを除き、左右縦枠部と平行に延び、コレクタ15の左右端に重なる薄板状のバックアッププレート18aと厚板状のバックアッププレート18bを備えるものとされ、これらバックアッププレート18aと縦枠部で囲われる空間が前記フレーム17を板厚方向に貫通する長孔172と整列する燃料流路形成のための空間を構成している。フレーム18の板厚は、前記のように波板状とされたコレクタ15の厚みと単位セル10Aの厚みにほぼ匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム18がコレクタ15に組み合わされた状態では、コレクタ15の凸条151は、単位セル10Aの燃料極13に接触し、谷部154はセパレータ基板16を介してコレクタ14に接触する位置関係となる。かくして、フレーム18の両縦枠部とバックアッププレート18aとの間には、フレーム17の縦枠部171の長孔172と整列するフレーム積層方向の燃料流路が形成され、かつ個々のフレーム18の内部において、コレクタ15の波形によりセパレータ基板16とバックアッププレート18aに挟まれる横方向流路としての燃料流路が画定される。
The
以上のように構成されたフレーム17,18によりコレクタ14,15及びセパレータ基板16を保持してセパレータ10Bが構成され、セパレータ10Bと単位セル10Aを交互に積層して、セルモジュールが構成される。こうして積層されたセルモジュールには、図2に示すように、フレーム18で挟まれる間の部分に、セルモジュールの上面から縦方向にセルモジュールの下面まで全通するスリット状の空気流路が形成される。
The
こうした構成からなるセルモジュールを筐体内に複数個並べて配置することで構成される燃料電池スタック(図1参照)1は、その上部から空気マニホールド22で混合された空気と水を供給し、側方から水素を供給することで、発電作動する。空気流路に供給される空気と水は、空気流中に水滴が霧状に混入した状態(以下この状態を混合流という)で空気流路の上部に入る。燃料電池の定常運転状態では、単位セル10Aが反応により発熱しているため、空気流路内の混合流が加熱される。混合流中の水滴は、親水性処理により一部がセパレータ14の網状部分と単位セル10Aの空気極12側に付着し、セパレータ14の網状部分に付着しなかった水滴は、セパレータ14と電極拡散層との間の気相中で加熱されることにより、蒸発してセパレータ14から熱を奪う潜熱冷却作用が生じる。こうして蒸気となった水は、空気極12側からの固体高分子電解質膜11中の水分の蒸発を抑えて保湿させる。そして、空気流路に入った余剰の空気と蒸気は、セルスタックの下方の空気流路開口から排出される。
A fuel cell stack (see FIG. 1) 1 constituted by arranging a plurality of cell modules having such a configuration in a casing supplies air and water mixed by an
一方、燃料流路への水素の供給は、図4に示す最外側のフレーム18の縦枠部の長孔から、順次積層されたセパレータ基板16の長孔162、フレーム17の縦枠部171の長孔172を経て各フレーム18の縦横枠部及びバックアッププレート18aにより囲まれる空間に流入し、セパレータ基板16とバックアッププレート18aにより挟まれる空間を経て単位セル10Aの燃料極13側に供給される。これにより単位セル10Aの燃料極13への水素の供給が行なわれる。そして燃料極13に沿って横方向に流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分が、反対側の水素流路に排出され、この水素流路につながる図1に示す配管により循環され最終的に燃焼器に排出される。
On the other hand, hydrogen is supplied to the fuel flow path from the long holes of the vertical frame portion of the
かくして燃料電池スタックに空気と共に送り込まれた水は、先に説明したように、一部はセパレータ14の網目に付着して蒸発し、それ以外は気相中で網目に付着せずに蒸発して潜熱を奪うので、空気極12側の電解質膜11からの水分の蒸発が防止される。したがって、電解質膜11はその空気極12側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、空気極12の表面に供給された水は、空気極12自体からも熱を奪いこれを冷却する。これにより燃料電池スタック1の温度を制御できる。
Thus, as described above, part of the water fed into the fuel cell stack with air evaporates by adhering to the mesh of the
燃料電池スタック1内での水素の流れは、先に説明したとおりである。燃料供給系4において、燃料電池スタック1の水素通路からポンプ47の吸引により排出される水素ガスは、濃度センサ45A,45Bにより濃度を計測され、所定の濃度以上のときは、電磁弁52の閉鎖により還流逆止弁48を経て水素供給路40に還流される。また、所定の濃度に満たないときは、排出電磁弁52の間歇的開放により逆止弁51及び電磁弁52を経て燃焼器53に水素が排出され、燃焼器53で完全燃焼させた排気が大気へ放出される。
The flow of hydrogen in the fuel cell stack 1 is as described above. In the fuel supply system 4, the concentration of the hydrogen gas discharged by the suction of the
こうしてこのシステムでは、燃料電池スタック1へ特に冷却水系を付設しなくても、空気流に乗せて水を供給することで、燃料電池スタック1を十分に湿潤し、且つ冷却することができる。この際、燃料電池スタック1の温度は、排気温度センサ32で検出された排出空気の温度に対応してポンプ62の出力や運転間隔を適宜制御することで、ノズル22から空気マニホールド22内に噴出させる水の噴射量が制御され、所望の温度に維持される。具体的には、燃料電池スタック1内に供給する水量を増やせば蒸発量が増え、水量を減らせば蒸発量が減ると共に、風量を増やせば温度が下がり、風量を減らせば温度が上がるので、供給水量と風量を制御することで、運転温度を制御できる。なお、燃料電池スタック1から空気と共に排出される水は、大部分が液体の状態を維持したまま排出されるため、水帰還路60aに流れポンプ65に吸引されて逆止弁66経由で水タンク61に戻され、蒸発して水蒸気状になったものや水帰還路60aに回収されなかったものについては、水凝縮器31で凝縮されて液状とされ、あるいはそのまま水凝縮器31を通って同様にポンプ65による吸引で水タンク61に戻される。なお、排気空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック1の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えられる。この水タンク61の水位は、水位センサ64でモニターされる。
Thus, in this system, the fuel cell stack 1 can be sufficiently moistened and cooled by supplying water in an air flow without particularly providing a cooling water system to the fuel cell stack 1. At this time, the temperature of the fuel cell stack 1 is ejected from the
このシステムの特徴は、コレクタ14,15が細かい網目状となっており、電極拡散層との接触面にも開口が形成されていることで、空気と水の混合流がこの開口を通過する際に攪拌されると共に、電極拡散層のコレクタ14,15との接触面にも混合ガスが供給されるので、燃料電池スタック1における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる点にある。また、電極とコレクタとの網目状の接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる点にある。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。
The feature of this system is that the
以上説明した実施例1では、セパレータの電極拡散層との接触側、すなわちコレクタ14,15をランスカットメタルで構成したものを例示したが、このコレクタ14,15の素材として、金属繊維や、金属多孔体、二次元金属織布、金属不織布、波状金属体、溝状金属体、金網、パンチングメタルなど、他のものを用いることもできる。次にコレクタ素材を変更した他の実施例について説明する。
In the first embodiment described above, the contact side of the separator with the electrode diffusion layer, that is, the
次の図8に示す実施例2は、両コレクタ14,15をパンチングメタルで構成した例である。更にこの例では、両コレクタ素材を共通化すべく波状寸法、すなわち波の高さ及びピッチを実施例1における燃料極側のコレクタと同一のものとしている。そしてこの構成の採用に伴い、波高が低くなった空気極側の流路断面積を確保すべく、セパレータ基板16にもコレクタ14の谷部144の配置ピッチに合わせたピッチでコレクタ14側に突出する凸条161を形成して、セパレータ基板16も波板状としている。以下、この実施例における実施例1との共通部分については同様の参照符号を付して説明に代え、以下相違点のみ説明する。
The second embodiment shown in FIG. 8 is an example in which both
この例では、実施例1のコレクタ14,15と同様の板厚の素材にパンチによる多数の孔を一面に形成している。ちなみに図示の例では、板厚0.2mmの板に縦横幅0.1mmの孔を0.1mmの間隔をおいて形成している。なお、図面では孔143,153の開口形状の向きを縦横平行としているが、この向きは、特に規制されるものではなく、実施例1と同様に斜め向きとすることも含めていかなる向きの配置も可能である。この実施例におけるセパレータ基板16の凸条161の高さは、この高さとコレクタ14の凸条141の高さとの和が実施例1におけるコレクタ14の凸条の高さと等しくなる設定とすることで、空気極側の流路断面積を実施例1と同様とすることができる。
In this example, a large number of punch holes are formed on one surface of a material having the same thickness as the
この実施例2によっても、実施例1と同様に拡散層に接するコレクタ14,15が細かい網目状となっていることで、燃料電池スタック1における電極全面に均一に空気を供給することができ、それにより濃度分極を少なくすることができる。また、電極とコレクタとの網目状の接触により、電極全体から均一に集電できるため、集電抵抗が減少する。更に、電極全体の触媒を有効に使用できるため、活性化分極が少なくなる。また、電極の有効面積を大きくすることができる利点も得られる。
Also in the second embodiment, the
次の図9に示す例は、両コレクタ14,15を実施例2と同様のパンチングメタルで構成しているが、燃料極側のコレクタ15を波状を有しない平板で構成した例である。この例の場合は、空気極側と燃料極側の流路断面積を共に確保すべく、セパレータ基板16は、該基板の基準面に対して空気極側と燃料極側にともに突出する凸条161,162を形成した波板で構成されている。その他の構成については全て実施例2と同様であるので、相当する部材に同様の参照符号を付して説明に代える。
The next example shown in FIG. 9 is an example in which both
10 セルモジュール
10A 単位セル
10B セパレータ
11 電解質膜
12 空気極
13 燃料極
14 コレクタ(網目状の導電体)
16 基板
10
16 substrates
Claims (8)
前記セパレータは、単位セルの両極の少なくとも空気極側の表面部分に、前記混合流を透過する網目状の導電体(14)を備えることを特徴とする燃料電池。 A unit cell (10A) comprising an electrolyte membrane (11) and a fuel electrode (13) and an air electrode (12) provided on both sides of the electrolyte membrane is laminated with a separator (10B) interposed therebetween, and the unit cell is passed through the separator. In a fuel cell in which a mixed flow of air and water is supplied to the air electrode side of
The fuel cell according to claim 1, wherein the separator includes a mesh-like conductor (14) that transmits the mixed flow at least on a surface portion of the unit cell on the air electrode side.
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